Изучение рождения тяжелых кварков на электронно-протонном коллайдере HERA в эксперименте ZEUS

Исследование взаимодействий частиц с наиболее высокими достигнутыми энергиями позволяет изучать фундаментальную структуру материи и законы природы ею управляющие. Основу современных представлений субъядерной физики высоких энергий составляют кварковая модель строения адронов и стандартная модель электро-слабых и сильных взаимодействий. Частью стандартной модели, описывающей сильные взаимодействия цветных кварков и глюонов, является квантовая хромодинамика (КХД, С^СБ).

Изучение рождения тяжёлых кварков исключительно важно для развития представлений и методов расчётов физики высоких энергий. Масса тяжёлого кварка может быть использована в качестве жёсткой шкалы, позволяющей проводить пертурбативные вычисления. Таким образом, рождение тяжёлых кварков может быть использовано для тестирования расчётов, проделанных в рамках пертурбативной КХД пкхд, РдсБ).

Электронно-протонные столкновения позволяют изучать несколько процессов рождения тяжёлых кварков. Доминирующим механизмом взаимодействия электронов с протонами при доступных энергиях является обмен фотоном. При этом одним из основных процессов рождения тяжёлых кварков является слияние обменного фотона с глюоном из структуры протона с образованием кварк-антикварковой пары. Таким образом, фотон выступает в качестве зонда глюонной структуры протона. Экспериментальные данные о фотон-протонных столкновениях на HERA и фотон-фотонных столкновениях на LEP указывают на необходимость использования в pQCD вычислениях процессов на разрешённом фотоне, в которых фотон выступает в роли источника партонов, как и протон. Изучение характеристик образования тяжёлых кварков в таких процессах позволяет тестировать структуру фотона.

До начала 1990;х годов данные о рождении тяжёлых кварков в лептон-нуклонных и фотон-нуклонных столкновениях ограничивались областью относительно небольших энергий, доступных в экспериментах на фиксированной мишени. Для перехода на качественно новый уровень тестирования pQCD вычислений и изучения стуктур протона и фотона было необходимо перейти к изучению предмета в коллайдерном эксперименте.

Целью данной диссертационной работы являлось экспериментальное исследование рождения тяжёлых кварков в электронно-протонных (позитрон-протонных) столкновениях при энергиях в системе центра масс (с.ц.м.) сталкивающихся частиц около 300 ГэВ. Такие энергии были достигнуты на первом в мире электронно-протонном коллайдере HERA, построенном в 1984;91 г. г. в немецком ускорительном центре DESY в г. Гамбург. В 1992 г. две международные коллаборации, Н1 и ZEUS, начали сбор и исследование коллайдерных данных с помощью одноименных детекторов. В 1993 г. многоцелевой детектор ZEUS был укомплектован центральным трековым детектором, что позволило проводить полную реконструкцию очарованных мезонов в их модах распада на заряженные частицы (пионы и каоны). Это позволило приступить к изучению рождения чарма в электронно-протонных столкновениях при энергиях на порядок превышающих энергии экспериментов на фиксированной мишени. Уже на основе данных, собранных коппаборацией ZEUS в 1993 г., удалось измерить полное сечение фоторождения чарма на HERA. В дальнейшем светимость коллайдера HERA возрастала с каждым годом и полная интегральная светимость к 2000 г. более чем в 200 раз превысила интегральную светимость 1993 г. Это позволило провести детальное изучение рождения с—кварков и получить первые данные о рождении Ь—кварков на HERA.

В данной диссертационной работе представлены основные результаты коллаборации ZEUS о рождении с— и Ъ—кварков на HERA, полученные на основе данных 1993;2000 г. г. Для сравнения и полноты описания предмета приведены некоторые результаты о рождении с— и Ь—кварков, полученные коллаборацией Н1. Обширные и очень интересные результаты HERA о рождении тяжёлых кваркониев {J/ф и Т) не обсуждаются в данной работе, т.к. они представляют специальную область, требующую отдельного рассмотрения. Все экспериментальные результаты, включённые в диссертацию, сравниваются с расчётами разных теоретических групп и проводится анализ сравнения.

Диссертация состоит из 11 глав, включая введение и заключение.

Введение

содержит краткую характеристику темы, формулировку целей диссертационной работы и описание структуры диссертации. В конце введения отмечается личный вклад автора в полученные результаты. Во 2-ой главе определяются кинематические переменные и описываются основные механизмы рождения тяжёлых кварков в электронно-протонных столкновениях. Далее в этой же главе даётся описание модельных представлений и расчётов, привлекаемых для сравнения. В 3-ей главе приводится краткое описание коллайдера HERA, многоцелевого детектора ZEUS и его триггерной системы. В 4-ой главе описано измерение и приведены результаты о полном сечении сс фоторождения. В 5-ой главе представлены измерения дифференциальных и интегральных сечений инклюзивного.

Заключение

.

В данной диссертационной работе представлены основные результаты коллаборации ZEUS о рождении си Ъ—кварков на HERA, полученные на основе данных 1993;2000 г. г. Основными результатами, выносимыми на защиту, являются следующие результаты:

1) Полное сечение фоторождения чарма измерено в области энергии 7р системы в её с.ц.м. от 115 до 275 ГэВ. Показано, что с ростом энергии 7р столкновения на один порядок по сравнению с экспериментами на фиксированной мишени, полное сечение фоторождения чарма возрастает также на один порядок, что соответствует быстрому росту глюонной плотности протона с уменьшением хд. Было продемонстрировано качественное согласие рассчётов сечения фоторождения чарма, проделанных в NLO QCD, с экспериментальными результатами.

2) Проведено прецизионное измерение дифференциальных сечений фоторождения D*± и Df мезонов, что позволило провести детальное сравнение с NLO QCD вычислениями. Это сравнение выявило существенные проблемы теоретического описания процесса. Предсказания NLO QCD, полученные в подходе с фиксированным порядком, существенно недооценивают измеренные сечения. d*± d± n*± п±

Форма предсказанных распределении по pL и r? > s в целом соответствует характеру поведения экспериментальных распределений, но не воспроизводит их детально. Наибольшее расхождение между предсказаниями и экспериментом наблюдается при положительных величинах r]D*±, D^, т. е. в переднем (протонном) направлении.

3) Изучено ассоциированное рождение D*± мезонов и струй с большими поперечными импульсами. Используя события с двумя и более струями, проведено измерение дифференциального сечения по где x®BS имеет смысл доли импульса начального фотона, давшей вклад в рождение двух струй с наибольшими поперечными импульсами. Сравнение распределения по x®BS с предсказаниями LO Монте-Карло генераторов показало, что для описания формы экспериментального распределения LO предсказаниями необходимо учитывать вклады как процесса фотон-глюонного слияния, так и процессов на разрешённом фотоне. При этом, доминирующую часть вклада процессов на разрешённом фотоне в LO Монте-Карло составляют процессы возбуждения чарма в фотоне. Было также проведено сравнение экспериментального dcr/dx®BS распределения с NLO QCD расчётами на партонном уровне в подходе с фиксированным порядком. Предсказания NLO согласуются с измеренным сечением двухструйного рождения чарма в области 0.75 < x°BS < 1.0, т. е. там, где можно ожидать доминирующий вклад фотон-глюонного слияния. Однако, в области x°BS < 0.75, эти предсказания значимо недооценивают измеренные сечения.

4) Рождение чарма в глубоко-неупругом рассеянии изучено в области виртуальности обменного фотона, Q2, от 1 до 1000 ГэВ2. Сравнение измеренных дифференциальных сечений с результатами NLO QCD вычислений, проделанных в подходе с фиксированным порядком для ГНР случая, показало, что эти предсказания в основном соответствуют экспериментальным результатам. На основании измеренных сечений проведена реконструкция вклада чарма, F2CC, в протонную структурную функцию, F2. Для фиксированных величин Q2, структурная функция F|c растёт с уменьшением х. Этот рост становится более крутым с увеличением Q2. При фиксированных значениях ж, величина структурной функции Ff растёт с ростом величины Q2, демонстрируя таким образом нарушение масштабной инвариантности. Относительный вклад чарма в протонную структурную функцию растёт с ростом Q2 и уменьшением х. Для наименьших значений Q2, относительный вклад чарма составляет та 10%. В то же время, начиная с Q2 та 20ГэВ2, эта доля достигает та 30% при наименьших доступных измерению величинах х.

5) Проведено исследование фрагментационных характеристик рождения чарма и спектроскопии D—мезонов на HERA. Измерены отношение сечений рождения Df и D*± мезонов и величина фактора подавления странности, 7S. На основании реконструированных сигналов орбитально-возбуждённых очарованных (D®, D2°) и очарованно-странных (Df) мезонов оценены адронизационные доли f (c—>Di), /(c-^Dlf) и f (c—> Df). Все полученные величины согласуются с результатами е+е~ экспериментов, что подтверждает универсальный характер фрагментации чарма. Был проведён поиск радиально-возбуждённых очарованных DH± мезонов и получен верхний предел для величины /(с —" D*'+) • Вв*'+~>г)*+1Х±к-.

6) Измерено сечение фоторождения Ъ—кварков для области р > 5 ГэВ и |?7Ь| < 2 и получено указание на недооценку этого сечения NLO QCD вычислениями, проделанными в подходе с фиксированным порядком.

Полученные результаты триггировали дальнейшее развитие теоретических представлений и методов расчёта процессов рождения и адронизации тяжёлых кварков. Для описания дифференциальных сечений фоторождения D*± мезонов, две теоретические группы провели NLO QCD вычисления в рессумационном подходе [80, 85]. Эти вычисления, использующие в явном виде с—кварки в параметризациях структурных функций фотона и протона, применимы только при р[[ тс и поэтому могут использоваться только для области больших р^**. Предсказания двух рессумационных расчётов близки по форме распределений, но отличаются примерно на 40% по абсолютной величине. Расчёты, проделанные в [80], ближе к измеренным значениям, но и они недооценивают экспериментальные сечения в переднем (протонном) направлении. Эти предсказания чувствительны к выбору структурной функции фотона, что определяется различным содержанием чарма в разных параметризациях. Наилучшее описание da/di]0^ распределения позволяет получить структурная функция фотона GS-G НО, в которой содержание с— и и—кварков равны друг другу.

Кроме расчётов, проделанных в коллинеарном подходе QCD, для описания дифференциальных сечений рождения D*± мезонов на HERA были проведены расчёты в полужёстком (кт~ факторизационном) подходе QCD [116] с использованием неинтегрированного по начальным поперечным импульсам глюонного распределения. NLO поправки и процессы, требующие использования структурной функции фотона, не рассматривались в этих расчётах. Вычисления в полужёстком подходе успешно воспроизводят форму экспериментального распределения по р^ ±, однако предсказываемые распределения по г}0^ не соответствуют форме экспериментальных распределений.

Дефицит предсказываемых сечений в переднем (протонном) направлении привёл к предложениям использовать более сложную, по сравнению с параметризацией Петерсона, фрагментационную схему. При использовании параметризации Петерсона, D-мезону приписывается часть импульса с-кварка, сохраняя для мезона направление движения кварка. Напротив, Монте-Карло генераторы предсказывают некоторое смещение D-мезонов в направлении движения протонного остатка. Такое смещение возникает вследствии взаимодействия цветных зарядов с-кварка и протонного остатка. Этот эффект получил название эффекта притяжения к пучку («beam-drag effect») [120].

Для совместного описания рождения и адронизации с—кварков была предложена модель BKL [119], в которой проводится расчёт процесса ер—>ссХ порядка 0(aaf) в древесном приближении. Далее проводится адронизация полученных кварков в (с, q) состояния, учитывая синглетные и октетные цветовые комбинации. Соотношение между октетным и синг летным вкладом было настроено таким образом, чтобы добиться наилучшего описания экспериментальных данных о фоторождении D*± мезонов при 130 < W < 280 ГэВ. Октетный вклад наиболее заметен в переднем направлении, т.к. учёт октетной компоненты увеличивает относительный вклад рекомбинационных диаграмм. По мнению авторов модели [119], учёт рекомбинационных диаграмм позволяет в определённой степени воспроизвести эффект притяжения к пучку. Процессы, требующие использования структурной функции фотона, не рассматривались в данной модели. Результаты BKL вычислений хорошо описывают экспериментальные дифференциальные сечения тагированного фоторождения мезонов при 80 < W <

120 ГэВ. Модель также позволяет описать форму дифференциального распределения по р±для фоторождения Df мезонов. Однако d± предсказание для распределения по rj s недооценивает сечение в переднем (протонном) направлении.

В работе [127] было показано, что модель BKL не позволяет описать экспериментальное d< x°BS < 0.75.

Изучение возможности описания dcr/dx®BS распределения было проведено также в рамках полужёсткого подхода QCD [129, 130]. Использование неинтегрированного глюонного распределения позволяет добиться увеличения сечения в центральной области не решая при этом, однако, проблему дефицита сечения в переднем (протонном) направлении.

Для точного описания дифференциальных сечений рождения тяжёлых кварков в ер ж других столкновениях было предложено построение «согласованных» («matched») NLO QCD вычислений [155, 156]. В этих вычислениях результаты расчётов в подходе с фиксированным порядком используются при рс±- ¡-=з тс, а при рс±тс используются расчёты в рессумационном подходе. Для перехода от первого ко второму случаю проводится процедура согласования с помощью феноменологической функции. Параметры этой функции могут быть настроены из сравнения с экспериментальными данными. Ещё более интересным представляется сравнение полученных экспериментальных данных с NNLO QCD расчётами, которые должны радикально уменьшить неопределённости теоретических предсказаний и улучшить эффективное описание процессов возбуждения чарма в подходе с фиксированным порядком. Серьёзные успехи в развитие NNLO вычислений [125, 126] позволяют надеяться на реализацию полных NNLO QCD предсказаний в течении ближайших нескольких лет.

HERA закончила свой первый период набора данных в сентябре 2000 г. Интегральная светимость за этот период составила «?130pb1. Полное вовлечение всех собранных данных в физический анализ позволит изучить новые аспекты рождения и адронизации тяжёлых кварков. Большая статистика и улучшенная триггерная логика позволят провести измерение дифференциальных сечений с меньшими статистическими и систематическими погрешностями. После реконструкции светимость коллайдера HERA возрастёт в 4−5 раз. Можно ожидать, что к 2005;2006 г. г. будут собраны данные, соответствующие интегральной светимости «lfb-1. В этот период особое внимание будет уделено изучению рождения с— и Ъ—кварков, чему должны способствовать больптя статистика и новые трековые компоненты детектора ZEUS [30,.

31]:

• силиконовый микровершинный детектор (MicroVertex Detector, MVD);

• трубчатый трекер (Straw-Tube Tracker, STT) в переднем (протонном) направлении.

В дальнейшем изучение рождения тяжёлых кварков в электронно-протонных столкновениях может быть продолжено на новом коллайдере THERA [32, 33].

В заключение я хотел бы выразить мою искреннюю благодарность всем, кто сделал возможной эту работу и помогал в её проведении. Я благодарю руководителя отдела экспериментальной физики высоких энергий профессора П. Ф. Ермолова за организацию работы в составе коллаборации ZEUS. Я благодарен моим коллегам из Научно-Исследовательского Института Ядерной Физики Е. М. Лейкину, И. А. Коржавиной, Р. К. Дементьеву, В. И. Рудю, А. Я. Ротвайну, Н. П. Зотову, Ю. А. Голубкову и А. Н. Соломину за сотрудничество и передачу неоценимого опыта работы.

Все результаты, выносимые на защиту, являются официальными результатами коллаборации ZEUS, и я благодарен всем моим коллегам по коллаборации за участие и помощь в работе. Я хотел бы выразить особую благодарность И. Айзенбергу, У. Каршону, Д. Хохману, Х. Ролдану, Р. Грациани, Х. Фернандесу, А. Приниасу, И. Редондо, К. Колдеваю, О. Деппе, Ч. Киму, М. Саттону, Д. Бейли, С. Чеканову, К. Хеббель, М. Вингу и М. Хейсу за проведение совместных исследований. Я также благодарен профессорам Г. Вольфу, Р. Кланнеру, А. Колдвелу и Б. Фостеру, возглавлявшим коллаборацию ZEUS в период проведения данной работы и проявлявшим к ней постоянное внимание.

Я выражаю признательность коллегам из коллаборации Н1 Ф. Сефкову, К. Даум, Р. Герхардсу, Г. Циполитису, Д. Дейтону и Б. Нарошке за совместное обсуждение результатов и создание атмосферы плодотворного научного соперничества. Я хотел бы также поблагодарить всех физиков теоретиков, которые проводили вычисления для сравнвния с результатами, полученными в данной работе. Моя особая благодарность относится к Стефано Фрикционе за многочисленные обсуждения и за предоставление программы NLO QCD вычислений.

Проведение представляемых исследований было бы невозможно без виртуозной работы машинной группы ускорителя HERA. Я хотел бы также выразить свою признательность директорату и всем сотрудникам DES Y за гостеприимство.